ANSYS子模型技术的应用_高耀东

2002年12月第21卷第4期包头钢铁学院学报

JournalofBaotouUniversityofIronandSteelTechnologyDecember,2002Vol.21,No.4

　　文章编号:1004-9762(2002)04-0340-03

ANSYS子模型技术的应用

高耀东,杨建鸣,汪建新

(包头钢铁学院机械工程学院,内蒙古包头　014010)

Ξ

关键词:子模型;ANSYS软件;有限元分析中图分类号:TB115　　　文献标识码:A

摘　要:通过实例介绍了ANSYS软件的子模型法的使用方法,并分析了子模型法的适用场合及其优缺点1结果表明,用子模型法对结构物进行有限元分析,可以大大降低计算工作量,减少计算所花费的时间,并有利于提高计算的精度1

ApplicationsofANSYS’sGAOYao2dong,Y(Mechanical,China)

Keywords:submselementanalysis

Abstract:IntroduceofANSYSsoftwarethroughexamples,andanalyseitsapplicablecondition,togetherwithitsadvantageanddisad2vantage.Itisshownthatiffiniteelementanalysisisusedinthebodywithcompositebysubmodelmethod,boththeworkloadandtimeneededinthecalculationcanbegreatlyreducedandcalculationprecisioncanbeimprovedatthesametime.

　　子模型法是有限元法的一项高级分析技术,在解决复杂应力应变问题时有其无可比拟的优点,但其分析步骤繁琐,过程比较复杂,容易出现操作错误,实际中应用较少1为了使其在实际应用中得到推广,本文结合一个具体应用实例,就其使用方法和特点作了阐述1

且如果相邻单元的尺寸相差过于悬殊,可能还会引起很大的计算误差1在这种情况下,为了解决上述问题,可将计算分成2次进行1第一次计算时,把关心区域附近的网格划分得比别处稍微密一些,以约略反映关心区域的应力分布情况,而且总体网格密度也可以比较稀疏一些1如图1所示半圆凹槽附近ABCD部分,甚至可以根本不管凹槽或孔洞的存在,

1　问题的提出

在用有限元法对结构物进行静力分析时,常遇到以下问题:当结构物具有凹槽或孔洞时,在孔洞或凹槽附近将发生应力集中,即该处的应力很大而且变化剧烈1为了正确反映此项应力,必须把该处的网格划分得很密,或者在分析者特别关心某处应力、应变时,此处网格也须进行加密处理1但是网格加密以后会加大计算的容量,耗费过多的计算时间,而

而把ABCD部分的网格划分得和别处大致相同疏密1这时,主要的目的在于计算出别处的应力,并计算出ABCD一线上各节点的位移1第二次计算时,只以ABCD部分为计算对象,如图2所示,把凹槽或孔洞附近的网格划分得充分细密,而将第一次计算所得的ABCD一线上各节点的位移作为已知量输入,即可将凹槽、孔洞附近的关心区域的应力计算得充分精密1该种方法称作子模型法[1]1

Ξ收稿日期:2002-05-20

作者简介:高耀东(1966-),男,内蒙古赤峰人,包头钢铁学院讲师,主要从事有限元分析及其应用研究1

高耀东等:ANSYS子模型技术的应用艺341

212　生成子模型

生成子模型的过程相当于进行1个新的模型的创建,但是子模型所采用的单元类型、单元实常数和材料特性应与粗糙模型完全相同,子模型的位置(相对全局坐标原点)应与粗糙模型的相应部分完全相同1

图1　第一次计算时网格的划分

Fig.1　Dividingcellsinthefirst

time

213　形成切割边界插值

本步骤是子模型法的关键步骤,实际上是定义子模型相对于粗糙模型的边界位置1在ANSYS中,子模型的边界不必选择通过粗糙模型的节点,而是可以任意选择1当定义好1个任意的边界后,AN2SYS软件系统会自动根据粗糙模型上节点位移值插

值计算出子模型边界上的位移值1

在ANSYS子模型法中,该步骤操作最为繁琐,

图2　第二次计算时网格的划分

Fig.2　Dividingcellsinthesecondtime

也极易出错1

214　分析子模型

、边界条件全部复制到子模型1

子模型法也可以用于检查计算的精度1用有限元法进行应力分析时,网格划分的疏密程度1通常方法是,一次,1,并对2次划分的,然后比较结构物上相应点的应力计算结果,若相差不大,则认为网格划分得合适,否则,需要进一步加大网格密度1上述做法同样也会加大前处理和计算的工作量1而用子模型法进行网格密度检查则可以避免以上缺点[2]1

用工程数值模拟软件ANSYS进行应力分析时也可以采用子模型法,下面简单介绍其分析步骤1

215　验证子模型切割边界到应力集中位置

的距离是否足够

子模型法的原理要求子模型的边界必须远离应力集中区域,用户必须验证是否满足这个要求1验证的方法是比较子模型边界上的结果与粗糙模型相应位置的结果是否一致1若结果符合得较好,则证明边界选取是正确的;若不符合,则要重新定义离关心区域更远一点的边界,重新生成和计算子模型1

3　分析实例

图3所示为某钢厂钢包吊架的有限元模型1在使用过程中,该吊架A—A处出现裂缝并进而扩展,为了研究吊架出现裂缝的原因,对其应力状态进行了有限元分析1由于分析主要关心A—A处的应力情况,因此分析过程中采用了子模型法1

首先建立图3所示的全局的、简化的模型,并对其进行相对粗糙的网格划分1划分时采用8节点六面体单元和10节点金字塔形单元,模型共划分了8075个单元和14966个节点1然后建立如图4所

2　ANSYS子模型法的分析步骤

211　生成并分析较粗糙的模型

该步骤实际上是对整体结构物进行建模并分析1建模时,在多数情况下不需要包含局部的细节

如圆角等,还可以省略掉结构物的某些中间传力环节1网格划分相对子模型可以粗糙一些,但有限元网格必须细化到足以得到较合理的位移解1这一点很重要,因为对子模型的计算分析是根据粗糙模型的位移解得到的[3]1

对粗糙模型的建模、划分网格、求解过程与普通模型的分析过程没有任何区别1因此,该步骤相对简单、容易且不易出错1

示的子模型1子模型在坐标系中的位置与粗糙模型相应部分的位置完全相同,并对其进行相对精细的网格划分,所采用的单元类型与粗糙模型相同,模型

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共划分了4418个单元和9317个节点

1不合理造成的结果

1

图3　粗糙模型

Fig.3　Rough

model

图5　分析结果

Fig.5　Resultsofanalyzing

4:

()减少甚至取消了有限元实体模型中所需的复杂传递区域1

(2)使得用户可以在感兴趣的区域就不同的设计(如不同的圆角半径)进行分析1

(3)帮助用户验证网格划分是否足够细1(4)节约计算时间,减少工作量1

图4　子模型

Fig.4　Submodel(s)

因此,用ANSYS软件对结构物进行有限元分析

时,应尽可能多地采用子模型法1同时,子模型法也存在局限性,它不适用于对全部模型结果感兴趣的场合1例如:计算模型的整体变形或者计算整个模型的最大应力时1

对粗糙模型和子模型分别进行求解,得到A—A处的弯曲应力情况如图5所示1从图5可以看出,粗糙模型和子模型的结果相差不大,说明网格精度合适,分析具有较好的精度1由于吊架所用的材料40Cr的屈服极限σs=785MPa,强度极限σB=980MPa,从有限元分析结果看,A—A处VonMises应力最大值超过了材料的强度极限,可见吊架A—A处出现裂缝是由于不满足强度条件而导致的,是设计

参考文献:

[1]　高德平1机械工程中的有限元法基础[M]1西安:西北

工业大学出版社,19931

[2]　华东水利学院1弹性力学问题的有限单元法[M]1北

京:水利出版社,19821

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